КОНЪЮГАЦИЯ У БАКТЕРИЙ

КОНЪЮГАЦИЯ У БАКТЕРИЙ (лат. conjugatio соединение; бактерии) — форма обмена генетическим материалом между бактериями при их клеточном контакте. К. у б. была обнаружена в 1946 г. Ледербергом (J. Lederberg) и Тейтемом (E. L. Tatum) при исследовании штаммов двойных и тройных ауксотрофных мутантов Е. coli К12 (см. Ауксотрофность, Ауксотрофные микроорганизмы). Смешивая культуры двух штаммов, для роста одного из которых было необходимо добавление в среду метионина (Met-) и биотина (Bio-), а для роста другого — треонина (Thr-), лейцина (Leu-) и тиамина (Thi-), и высевая затем образцы смешанных культур на минимальную, т. е. не содержащую необходимых соединений среду, они обнаружили на ней колонии прототрофных бактерий (Met+, Bio+, Thr+, Leu+, Thi+). Частота проявления таких бактерий была равна 1 на каждые 10⁷ высеянных родительских клеток. Дальнейшее изучение показало, что они являются генетическими рекомбинантами, т. е. клетками, несущими комбинацию генов родительских клеток (см. Рекомбинация, у бактерий). В последующих экспериментах, включая электронно-микроскопические наблюдения, было установлено, что обязательным условием для формирования таких рекомбинантов является непосредственный контакт между двумя генетически различающимися бактериями (рис. 1).

Рис. 1 Электронограмма конъюгирующих бактерий: 1 — клетка-донор, находящаяся в стадии деления (место деления отмечено стрелками); 2 — клетка-реципиент; 3 — конъюгационный мостик, через который передается генетический материал донора реципиенту; 4 — бактериальные жгутики.

При изучении участвующих в конъюгации бактерий (конъюгантов) установлено, что бактерии одних штаммов, так наз. F⁺-бактерии (бактерии мужского типа), при конъюгации действуют как доноры генетического материала, тогда как другие, так наз. F^—-бактерии (бактерии женского типа), являются реципиентами (буква «F» — первая буква слова fertility — плодовитость). Скрещивания штаммов донора и реципиентов (F⁺ X F^—) всегда фертильны, т. е. приводят к появлению рекомбинантов, в то время как скрещивания двух реципиентов (F^— X F^—) или двух доноров (F⁺ X F⁺) стерильны. Исследование процесса образования рекомбинантов показало, что при конъюгации генетический материал переносится от донора к реципиенту. Это позволило сделать вывод о существовании половой дифференциации среди мутантных штаммов Е. coli К12. При этом роль клетки-донора ограничивается передачей реципиенту генетического материала (ДНК), после чего ее присутствие необязательно.

Наиболее важным различием между бактериями-донорами F⁺ и реципиентами F^— является то, что первые из них содержат дополнительный генетический элемент, называемый половым фактором, F-фактором, F-эписомой (см. Половой фактор бактерий), который отсутствует в реципиентных клетках. В то время как передача хромосомных генов в скрещиваниях типа F⁺ X F^— происходит с относительно низкой частотой (порядка 10^-4—10^-5 на одну родительскую клетку), сам половой фактор легко передается реципиентам (с частотой порядка 0,2—1,0), в результате чего они приобретают свойства доноров. F⁺-клетки спонтанно (очень редко) либо под воздействием некоторых агентов физ. или хим. природы могут утрачивать F-фактор. На этом основании сделан вывод о том, что F-фактор F⁺-клеток имеет внехромосомную (цитоплазматическую) локализацию и способен быстро размножаться относительно независимо от репликации бактериальной хромосомы. Этот вывод был полностью подтвержден с помощью физ.-хим. методов.

Значительный прогресс в изучении К. у б. стал возможным после выделения из культур Е. coli К12 F⁺ Кавалли (L. Cavalli) и Хейсом (W. Hayes) клонов клеток, способных в скрещиваниях передавать F^—-клеткам определенный сегмент хромосомы с частотой в 1000 раз более высокой, чем исходные бактерии. Появление доноров такого типа, обозначаемых символом Hfr (high frequency of recombination — высокая частота рекомбинации, англ.), рассматривается как результат включения F-фактора в бактериальную хромосому. В связи с этим низкую частоту переноса хромосомы, наблюдаемую в скрещивании F⁺ X F^—, связывают с образованием в культуре F⁺-клеток небольшого числа клеток Hfr в результате интеграции части автономных F-факторов в том или ином участке бактериальной хромосомы. С другой стороны, интегрированный половой фактор клеток Hfr способен с определенной частотой возвращаться в автономное состояние, иногда включая при этом прилежащие участки бактериальной хромосомы и давая начало третьему типу донорских клеток, называемых промежуточными. Процесс К. у б., относительно хорошо изученный при использовании доноров Е. coli К12 типа Hfr, может быть условно разделен на несколько стадий (этапов): 1) случайные столкновения клеток-доноров с реципиентами после смешивания их культур и образование первоначальных (непрочных) клеточных контактов; 2) формирование эффективных клеточных контактов; 3) мобилизация хромосомы (либо конъюгативной эписомы) на перенос, т. е. переход кольцевой (замкнутой) структуры молекулы хромосомной (эписомной) ДНК в линейную (открытую) переносимую структуру; 4) генетический перенос (перенос хромосомы или эписомы) и образование зиготы; 5) формирование рекомбинантов.

Важную роль в осуществлении начальных этапов К. у б. играют, очевидно, специфические нитевидные образования на поверхности клеток-доноров, в т. ч. «половые ворсинки» (F-ворсинки, F-пили), синтез которых контролируется генами F-фактора.

Рис. 2. Электронограмма фрагмента бактериальной клетки-донора: 1 — часть бактериальной клетки; 2 — «половая ворсинка» (F-ворсинка) — белковое образование, синтез которого контролируется только генами F-фактора; донорспецифические бактериофаги, указанные стрелками, адсорбированы на ней; 3 — бактериальный жгутик, свободный от донорспецифического бактериофага.

F-ворсинки имеют белковую природу, обладают специфическими антигенными свойствами и могут быть легко обнаружены при электронной микроскопии благодаря способности адсорбировать донорспецифические фаги, к к-рым нечувствительны клетки-реципиенты (рис. 2). Предполагается, что F-ворсинки выполняют функцию «узнавания» реципиентной бактерии и обеспечивают первоначальный контакт между клеткой-донором и клеткой-реципиентом, за к-рым следует разрыв соответствующих участков их стенок и образование цитоплазматического конъюгационного «мостика». Последующий перенос хромосомы из клеток Hfr в F^—-бактерии носит строго ориентированный и прерывистый (частичный) характер. Ориентация переноса хромосомы донора зависит от места интеграции полового фактора. В месте интеграции F-фактора кольцевая хромосома донора разрывается и превращается в незамкнутую (линейную) структуру, приобретая способность последовательно передаваться в реципиентную клетку. Поскольку клетки каждого штамма Hfr имеют свое строго постоянное место интеграции F-фактора, то разрыв их кольцевой хромосомы всегда происходит в одном и том же месте, а ее перенос начинается с одного и того же генетического локуса — О-пункта. При этом сам половой фактор передается как концевой (дистальный) участок группы сцепления, а получившие его реципиенты могут становиться донорами типа Hfr. Прерывистый характер переноса хромосомы донора обусловлен случайными разрывами участков хромосомы, проходящих в тот или иной момент через место соединения конъюгирующих клеток. Возможно также искусственное прерывание этого процесса с помощью различных воздействий на конъюгирующие клетки. В результате значительная часть реципиентных клеток получает не всю хромосому донора, а лишь какой-то ее фрагмент, что ведет к образованию неполных зигот (мерозигот). Вероятность переноса в реципиентную клетку каждого конкретного гена будет тем меньшей, чем дальше от O-пункта располагается он на хромосоме, т. е. существует градиент переноса генов, расположенных по длине хромосомы донора (в группе сцепления). Однако бактериальная клетка, получившая при конъюгации генетический материал от другой бактерии (трансконъюгант), может дать начало клону рекомбинантов только в случае последующей интеграции этого материала с ее хромосомой. Если перенесенный в клетку генетический материал донора ведет себя как плазмида, т. е. сохраняется в цитоплазматическом состоянии, то такая клетка обозначается как плазмидный трансконъюгант. Наряду с F-фактором Е. coli К12 обеспечивать процесс К. у б. способны и другие внехромосомные элементы, которые получили обобщенное название конъюгативных плазмид бактерий. К их числу относятся R-плазмиды, несущие гены лекарственной устойчивости бактерий (см. Лекарственная устойчивость микроорганизмов, R-фактор), col-плазмиды, несущие гены, контролирующие синтез колицинов (см. Бактериоциногенные факторы).

Несмотря на то, что К. у б. детально изучена лишь на примере производных авирулентного штамма Е. coli К12, это явление имеет, вероятно, исключительно важное значение в эволюции различных видов бактерий, обеспечивая им широкий спектр комбинативной изменчивости (см. Бактерии). Генетический обмен в форме конъюгации обнаружен у различных представителей родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Vibrio, Pseudomonas, Pasteurella и др. Имеющиеся сведения о возможности скрещиваний доноров Е. coli К12 со штаммами Shigella, Salmonella, Pasteurella, Proteus и др. дают основание предполагать существенную роль межродовой гибридизации в возникновении атипичных форм патогенных бактерий. Большой практический интерес представляют также экспериментальные данные о передаче при внутривидовых, межвидовых и межродовых скрещиваниях различных бактерий конъюгативных плазмид, несущих детерминанты лекарственной устойчивости, бактериоциногенности, гемолитической активности, токсигенности, антигенных свойств и др. Эффективность экспериментальных скрещиваний бактерий в организме различных лабораторных животных позволяет считать, что К. у б. может происходить не только в окружающей среде, но и в организме человека и с.-х. животных.

Феномен конъюгации широко используется в генетике бактерий с целью картирования генов, т. е. определения их локализации на бактериальной хромосоме. На основании результатов прерываемых скрещиваний серии штаммов Hfr, клетки которых переносили реципиентам различные, но перекрывающие друг друга хромосомные сегменты, был сделан вывод о замкнутой (кольцевой) структуре хромосомы Е. coli К12 и составлена ее генетическая карта. Аналогичная карта построена для Hfr-штаммов Salmonella typhimurium, которые были получены при скрещиваниях с Е. coli К12 Hfr. Подобным же образом получены Hfr-штаммы шигелл и условно-патогенных эшерихий. Оригинальные конъюгативные плазмиды, способные обеспечивать эффективный хромосомный перенос, обнаружены у штаммов Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa и других патогенных бактерий. В результате таких исследований создаются предпосылки для проведения генетического анализа вирулентных, антигенных и других свойств бактерий.

Библиография: Браун В. Генетика бактерий, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; Г о л ь д ф а р б Д. М. Введение в генетику бактерий, М., 1966, библиогр.; Мейнелл Г. Бактериальные плазмиды, пер. с англ., М., 1976, библиогр.; Пехов А. П. Генетика бактерий, М., 1977, библиогр.; X э й e У. Генетика бактерий и бактериофагов, пер. с англ., М., 1965, библиогр.

В. П. Щипков.